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'本科生毕业论文(设计)题目：家用电器语音控制系统设计学生姓名：张占魁学号：201216020218专业班级：通信12102班指导教师：侯清莲完成时间：2016年4月30日 目录摘　要IAbstractII第1章绪论11.1语音识别的概述11.2国内外语音识别技术比较11.2.1国外语音识别技术的发展11.2.2国内语音识别技术的发展21.3课题设计背景21.4研究内容与特色31.5本文主要内容3第2章语音识别及控制的关键技术42.1语音识别技术42.2嵌入式操作系统42.3家庭总线技术及协议52.3.1串行总线52.3.2CEBus协议52.3.3BACnet协议52.3.4欧洲安装总线EIB62.3.5ECHONET协议62.3.6Zigbee智能家居无线网络系统6第3章系统设计83.1方案论证和比较83.1.1总体方案83.1.2主要器件选型83.2系统方案与原理框图93.3核心芯片介绍93.3.1核心AT89C2051芯片介绍93.3.2核心MT8870芯片介绍113.4系统硬件电路设计123.4.1振铃检测电路123.4.2模拟摘挂机电路133.4.3DTMF解码电路143.4.4家用电器控制电路15第4章软件设计174.1软件设计原理184.2系统程序设计流程图184.3基于多识别引擎的识别器设计194.3.1传统识别引擎简介204.3.2基于多识别引擎的识别器设计20结论22参考文献23 致谢25附录A硬件电路图26附录B程序清单27 摘　要近年来，随着技术发展和生活水平的提高，人们对家居环境提出了更高要求，智能家居系统的概念开始走向大众，虽然目前发展缓慢，但是家居智能化肯定是今后长时间内一个智能控制领域最热门的话题。语音是人类最自然的交互方式，利用语音识别与控制技术实现对家用电器的控制是智能家居的重要内容。云技术的兴起成为语音识别最重要的应用环境。由于智能家居低功耗、低成本、易操作、易安装的实际需求，经过大量的对比研究和实际参数分析，文章采用了一种基于单片机的电话遥控装置。利用该装置，用户可以通过任意一部双音多频电话(包括固定电话和移动电话)遥控家中的电器，构建一个智能家居系统，实现对家用电器的语音控制。本文设计了一种基于AT89C51的家用电器电话远程控制系统，基本原理为AT89C51对振铃次数进行计数，当达到设定的振铃次数后AT89C51控制电话自动摘机，并控制语音提示电路发出提示音，要求输入系统启动密码，然后对密码进行校验，当密码输入正确后，语音提示电路提示输入家用电器控制码，所拨号码经DTMF解码电路解码后，送往AT89C51进行译码，从而控制家用电器[1]。关键词：云技术；单片机；智能家居；语音控制I AbstractInrecentyears,withtheimprovementoftechnologydevelopmentandstandardofliving,peopleonthehomeenvironmentproposedhigherrequirements,theconceptofsmarthomesystembegantothepublic,althoughthedevelopmentisslow,butsmarthomeiscertainlyinthefutureforalongtimeaintelligentcontrolfieldofthehottopic.Speechisthemostnaturalwayofinteraction,theuseofspeechrecognitionandcontroltechnologytorealizethecontrolofhouseholdappliancesisanimportantpartoftheintelligentHomeFurnishing.Theriseofcloudtechnologyhasbecomethemostimportantapplicationsofspeechrecognition.Becauseofthelowpowerconsumption,lowcost,easyoperationandeasyinstallationofthesmarthome,alotofcomparativestudyandactualparameteranalysisareusedinthispaper.Byusingthedevice,theusercanremotelycontrolthehomeappliancesbyanytwotonemultifrequencytelephone(includingafixedtelephoneandamobiletelephone),andasmarthomesystemisbuilttorealizethevoicecontrolofthehouseholdelectricappliance.ThispaperdesignedaappliancestelephoneremotecontrolsystembasedonAT89C51,basicprincipleofAT89C51onthenumberofringswerecounted,whenreachingthesetnumberofringsAT89C51controlautomatictelephoneoffhook,andcontrolsthevoicepromptcircuitbeep,requiresthattheinputsystemstartuppassword,andthencheckthepassword,whentoenterthecorrectpassword,thevoicepromptcircuitpromptedtoenterthehomeappliancescontrolcodedialednumberbytheDTMFdecodingcircuitdecodingandsenttoAT89C51decoding,soastocontrolhouseholdappliances[1].Keywords:cloudcomputing;SingleChipMicrocomputer;smarthome;speechcontrolI 家用电器语音控制系统设计第1章绪论1.1语音识别的概述语音技术在计算机领域中的关键技术是语音识别技术和语音合成技术，其中语音识别技术是2000年至2010年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一[2]。语音识别技术(ASR：AutomaticSpeechRecongnition)，是指将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别的目的就是让计算机能“听懂”人话。未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。语音识别技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。1.2国内外语音识别技术比较1.2.1国外语音识别技术的发展1952年贝尔研究所Davis等人研究成功了世界上第一个能识别9个英文数字发音的实验系统。1960年英国的Denes等人研究成功了第一个计算机语音识别系统。大规模的语音识别研究是在进入了70年代以后，在小词汇量、孤立词的识别方面取得了实质性的进展。进入80年代以后，研究的重点逐渐转向大词汇量、非特定人连续语音识别[3]。在研究思路上也发生了重大变化，即由传统的基于标准模板匹配的技术思路开始转向基于统计模型(HMM）的技术思路。此外，再次提出了将神经网络技术引入语音识别问题的技术思路。进入90年代以后，在语音识别的系统框架方面并没有什么重大突破。但是，在语音识别技术的应用及产品化方面出现了很大的进展。DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）是在70年代由美国国防部远景研究计划局资助的一项10年计划，其旨在支持语言理解系统的研究开发工作。到了80年代，美国国防部远景研究计划局又资助了一项为期10年的DARPA战略计划，其中包括噪声下的语音识别和会话（口语）识别系统，识别任务设定为“（100034 家用电器语音控制系统设计单词）连续语音数据库管理”。到了90年代，这一DARPA计划仍在持续进行中。其研究重点已转向识别装置中的自然语言处理部分，识别任务设定为“航空旅行信息检索”[4]。日本也在1981年的第五代计算机计划中提出了有关语音识别输入—输出自然语言的宏伟目标，虽然没能实现预期目标，但是有关语音识别技术的研究有了大幅度的加强和进展。1987年起，日本又拟出新的国家项目——高级人机口语接口和自动电话翻译系统[5]。1.2.2国内语音识别技术的发展中国的语音识别研究起始于1958年，由中国科学院声学所利用电子管电路识别10个元音。直至1973年才由中国科学院声学所开始计算机语音识别[6]。由于当时条件的限制，中国的语音识别研究工作一直处于缓慢发展的阶段。进入80年代以后，随着计算机应用技术在中国逐渐普及和应用以及数字信号技术的进一步发展，国内许多单位具备了研究语音技术的基本条件。与此同时，国际上语音识别技术在经过了多年的沉寂之后重又成为研究的热点，发展迅速。就在这种形式下，国内许多单位纷纷投入到这项研究工作中去。1986年3月中国高科技发展计划（863计划）启动，语音识别作为智能计算机系统研究的一个重要组成部分而被专门列为研究课题[7]。在863计划的支持下，中国开始了有组织的语音识别技术的研究，并决定了每隔两年召开一次语音识别的专题会议。从此中国的语音识别技术进入了一个前所未有的发展阶段。1.3课题设计背景随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境的要求，正在从以往追求居室空间宽大和装饰豪华，向着追求品味、安全、舒适、便捷和智能方向发展。人们对家庭住宅的观念也有所改变，家庭智能化是今后家庭装饰的必经之路。然而智能家居目前还存在很多的问题。嵌入式高性能芯片的出现、各种操作系统应用于嵌入式系统以及网络技术的发展为解决这些问题提供了技术保障。34 家用电器语音控制系统设计嵌入式系统芯片性能在不断提高，操作系统在嵌入式系统中也得到了广泛的应用，为智能家居目前存在的问题提供了解决途径，也为未来智能家居的发展提供了技术背景。随着现代科学和计算机技术的发展，人们在与机器的信息交流中，需要一种更加方便、自然的方式。而人的直观感觉可以给人最直接的印象，获取信息速度也就最快。虽然，嗅觉、触觉也是人类固有的感觉，人们可以从中得到某些外界信息，但最重要、最精细的信息源只有图像和语言两种[8]。而且，语言是人类最重要的、最有效的、最常用的和最方便的通信形式。这就很容易让人想到能否用自然语言代替传统的人机交流方式如键盘、鼠标等。控制论创始人维纳在1950年就曾指出：“通常，我们把语言仅仅看作人与人之间的通信手段，但是，要使人向机器，机器向人以及机器向机器讲话，那也是完全办得到的”[9]。传统的家用电器的控制，无外乎两种控制方式：手动或遥控。随着家用电器的增多，开关和遥控版越来越多，使用极不方便，有时分不清谁是谁的控制器，甚至找不到遥控器等，特别是以后电视数字化了，频道增加，用遥控器翻查电视非常麻烦和耗时，而采用语音控制，可以很方便的分别出电视，空调等设备，并且可以直接叫出如“中央一台”来，所以语音识别及控制在智能家居中尤其重要。1.4研究内容与特色本文的研究对象是基于单片机的家用电器语音控制系统，本课题主要通过设计了一种家用电器电话远程控制系统，对家居设备如电灯等开关电器、电视机等遥控设备实现远程的语音控制。1.5本文主要内容本课题主要通过选择性能优良的语音识别方法，设计一种家用电器电话远程控制系统，对家居设备如电灯等开关电器，电视机等遥控设备实现语音控制。第一章绪论主要是介绍课题的背景及意义，并且对国内外语音识别技术的发展进行了概括。第二章主要是介绍语音识别及控制的关键技术：语音识别技术，嵌入式操作系统，家庭总线技术及Delphi编程。第三章是研究智能家居的实现方案和具体方法。确定控制方案，完成了系统设计。第四章是对各个硬件电路进行设计，并介绍了核心芯片。第五章主要是对软件部分的设计。34 家用电器语音控制系统设计第2章语音识别及控制的关键技术2.1语音识别技术当今，能实现语音识别的方法主要有两大类，一类是语音芯片硬件实现，另一类通过声卡采集软件实现，目前主要流行的软件包有：IBMViaVioce和MicrosoftSpeechSDK[10]。一个完整的语音识别系统可大致分为三部分：语音特征提取。其目的是从语音波形中提取随时间变化的语音特征序列。声学模型与模式匹配、识别算法。声学模型通常将获取的语音特征通过学习算法产生。在识别时将输入的语音特征与声学模型(模式)进行匹配与比较，得到最佳的识别结果。语言模型与语言处理。语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或由统计方法构成的语言模型，语言处理可以进行语法、语义分析。对小词表语音识别系统，往往不需要语言处理部分。2.2嵌入式操作系统由于MicrosoftSpeech对硬件要求比较高，且要求操作系统是Windows系列，Windows的嵌入式系统有WinCE和WindowsXPEmbedded。WindowsCE.net：适用于ARM、X86等机型，其内核非常小巧，可以添加裁剪功能模块，应用于PDA手机等小型化设备。目前最高版本为WindowsCE.net6.0。WindowsEmbeddedCE为组件化的操作系统，从构建开始，就旨在开发占用资源较少的设备[11]。从可供使用的组件中选择一个自定义集合，并从预设的模板开始工作，开发商可使用WindowsEmbeddedCE通过自带实时功能快速创建大量的企业工具和客户电子设备，诸如：工业控制器、销售点终端、通讯集线器、照相机、Internet工具、互动电视掌上电脑，但WindowsCE.net仅提供了语音识别的引擎，却并未完全包含语音识别的所有功能模块，还需要开发者自己去实现。WindowsXPEmbedded：WindowsXP34 家用电器语音控制系统设计的一种有着灵活定制能力的特殊版本，其产品主要针对嵌入式系统，比如说机顶盒等等，但是其核心同WindowsXP是相同的(详见后面介绍)，组件上的差异也较少，而其高度可定制性，就大大加强了系统安装的灵活性，类似于精简版的WindowsXPEmbedded可以说是垂手可得且合法(体现其可定制性)。WindowsXPEmbedded是WindowsNTEmbedded4.0的升级产品，是划时代的桌面操作系统WindowsXP的组件化版本[12]。2.3家庭总线技术及协议总线技术在智能家居中极为重要，目前标准比较多，主要有以下几种：2.3.1串行总线由于在消费类电子产品、计算机外设、汽车和工业应用中增加了嵌入式功能，对低成本、高速和高可靠通信介质的要求也不断增长以满足这些应用，其结果是越来越多的处理器和控制器用不同类型的总线集成在一起，实现与PC软件、开发系统(如仿真器)或网络中的其它设备进行通信。目前流行的通信一般采用串行或并行模式，而串行模式应用更广泛。2.3.2CEBus协议CEBus的全称是消费电子总线(ConsumerElectronicsBus)。1989年，美国电子工业协会(EIA)的消费电子小组开始发布消费电子总线的部分草案。1992年，所有的消费电子总线规格说明书得以发布，这就是EIA600和EIA721标准。1994年，“消费电子总线委员会”(CEBusIndustryCoucil一CIC)成立。这是一个非盈利性组织，由生产制造消费电子总线兼容产品和提供相应服务的公司组成[13]。负责CEBus标准的制定和发布;并监督市场、保证产品的互操作性、以及认定产品是否符合CEBus标准。消费电子总线网络拓扑结构可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个节点的地位是平等的，不需要一个主控设备。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。2.3.3BACnet协议34 家用电器语音控制系统设计为创建使不同厂家的暖通空调子系统相连接的标准方法，美国供暖制冷及空调工程师协会(AmericanSocietyofHeatingRefrigerationandAirConditioningEngineers一ASNRAE)于1995年制定了一种开放标准，被称为“楼宇自动化和控制网络，即BACnet(BuildingAutomationandControlNETwork)。BACnet数据通信协议阐述了建筑物自动控制网络的功能，系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则[14]。因此，它确立了不必考虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯片组的情况下，相互开放通讯的基本规则。目前，BACnet已成为国际上智能建筑发展的方向和主流通信协议，是一项极具开拓性的技术，它使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作的基础上实现无缝集成成为可能。2.3.4欧洲安装总线EIB欧洲安装总线(EIB)是一个在欧洲占主导地位得楼宇自动化和家庭自动化标准，是由Siemens}ABB等一些知名企业首先提出来的。目前国际上很多公司都推出了符合EIB规范的产品，EIB在欧洲得到了很好的应用，占据了欧洲楼宇及家庭自动化80%的市场[15]。1999年，欧洲三大协议机构EIB,Batibus和EHSA合并成立了Konnex协会，提出了Konnex协议。该协议以EIB为基础，兼顾了Batibus和EHSA的物理层规范，并吸收了Batibus和EHSA中配置模式等优点。2.3.5ECHONET协议鉴于全球能源逐渐枯竭、人口结构逐渐迈向老龄化、家庭消耗能源日益增加及环境保护与远距离家庭医疗的需求提升等原因，Sharp.Toshiba,Hitachi.Panasonic,MitsubishiElectric等家电大厂与东京电力公司，于1997年12月在日本政府支持下，成立了ECHONET(EnergyConservationandHomecareNetwork)协会，主要目标是开发一个标准化的家庭网络国际标准，并应用于家庭能源管理、居家医疗保健等服务上[16]。2.3.6Zigbee智能家居无线网络系统ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，遵循IEEE802.I5.4协议，是IEEE工作组专门为短距离通讯制定的新标准。ZigBee的协议结构如表2.134 家用电器语音控制系统设计所示，它由高层应用规范、会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成[17]。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。表2.1ZigBee协议结构ZigBeeProfiles（高层应用范围）会聚层网络层IEEE802.15.4LLCIEEE802.2LLCIEEE802.15.4LLC介质访问控制层868/915MHz物理层2.4GHz物理层34 家用电器语音控制系统设计第3章系统设计3.1方案论证和比较3.1.1总体方案首先必须构建一个嵌入式操作系统，然后无缝地把语音识别软件包链接进去，制定UART通信协议，执行机构能和上位机顺利通信，完成信息交换和相应的命令动作。3.1.2主要器件选型3.1.2.1单片机方案一：STC12C5406系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速、低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线、精简指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路[18]。方案二：AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本[19]。3.1.2.2电话接收芯片方案一：X25045是美国xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将eeprom、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性。方案二：MT8870音调译码器(ToneDecoder)是MITEL公司所开发生产为一颗常用复频译码IC，这个电路可以接收DTMF信号，是一个完整的DTMF接收器。它接收了DTMF信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，通过数字译码器解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线(Q1、Q2、Q3、Q4)输出到外部共享Bus上[20]。34 家用电器语音控制系统设计经比较，使用方案二简单可行，运行可靠，成本低廉。3.2系统方案与原理框图本系统以AT89C51单片机为核心控制器，系统主要包括振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、电源电路、家电控制电路等。系统组成框图如图3.1所示。电话接口语音放大电路单片机家用电器控制振铃检测电路自动摘挂机电路双音频解码电路图3.1系统组成框图控制器接收远端发送来的DTMF信号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。电话远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。为了符合智能化要求，系统采用AT89C51作为中央处理器。同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。控制器并联于电话机的两端，不会影响电话机的正常使用。用户通过异地电话拨通控制器所连接外线的电话号码，通过程控交换机向电话机发出振铃信号。控制器检测到6次振铃后，即6次响铃后无人接听时电话自动摘机，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后输入开或关密码遥控被控电器，完成后返回。3.3核心芯片介绍3.3.1核心AT89C2051芯片介绍34 家用电器语音控制系统设计智能部件（单片机AT89C2051）。AT89C2051是一种廉价的高性能通用型单片微控制器，俗称单片机，为双列直插式20脚封装。AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系统；(2)15个双向I/O口；（3）两个16位可编程定时/计数器；（4）时钟频率0～24MHZ；(5)两个外部中断源；（6）可直接驱动LED；（7）低功耗睡眠功能；（8）可编程UARL通道；（9）2k可反复擦写（>1000次）FlashROM；（10）6个中断源；（11）2.7～6.0V的宽工作电压范围；（12）128x8bit内部RAM；（13）两个串行中断；（14）两级加密位；（15）内置一个模拟比较放大器。（16）软件设置睡眠和唤醒功能。AT89C2051管脚封装图如图3.2所示。34 家用电器语音控制系统设计图3.2AT89C2051管脚封装图3.3.2核心MT8870芯片介绍作为电话网，无线移动通信网和计算机通信网的终端设备。DTMF信号通过IN－端输入MT8870,GS引脚接反馈电阻对输入的DTMF信号进行放大，OSC1和OSC2引脚之间接一个3.5795MHZ的晶振，产生DTMF信号双音对中各单音比较信号。信号在MT8870内经过滤波、放大、高低频分离，再经过数字处理转化为与DTMF信号相对应的二进制编码。DTMF信号解码为4位二进制码，由Q1～Q4直接输出，如按下电话“1”号键,则电话线上就有高频1200HZ和低频697HZ的DTMF信号.此信号进入MT8870进行解码，解码的结果由Q1、Q2，Q3、Q4，输出，MT8870输出结果与电话按键的对应关系如表格所示。芯片STD引脚提供DTMF信号检测输出，当MT8870接收到DTMF信号并解码完成后该引脚为高电平，平时该引脚为低电平，该信号通过反相后可向单片机申请中断，TOE引脚为输出使能端，当TOE为高电平时解码结果可以从Q1～Q4输出。TOE为低电平时Q1～Q4引脚为高阻态。MT8870管脚封装图如图3.3所示。34 家用电器语音控制系统设计图3.3MT8870管脚封装图3.4系统硬件电路设计3.4.1振铃检测电路振铃检测电路由光耦LE以及门电路G4等元件组成。电话线路没有铃流时，电话交换机提供的线路电压为48V～60V的直流信号。当用户呼叫时，电话交换机发来振铃信号，89C2051单片机驱动摘挂机控制开关电路，DTMF信号译码电路，铃流检测电路和语音提示电路等电路设备。此时光耦LE的发光二极管导通，使光敏晶体管导通，于是+5V电源通过1K电阻和二极管向100uF电容充电。当电容上电压充到开门电平时，与门G4输出高电平并由AT89C2051的P3.5检测，每振铃一次，门G1输出一次高电平即一个正脉冲。振铃信号为25±3V的正弦波，电压有效值为90±15V,振铃以5s为周期，即1s送4s断。正脉冲信号可以直接输出至单片机的中断计数器输入口，完成整个振铃音检测和计数的过程。根据振铃信号的特征，设计振铃检测电路如图3.4所示。34 家用电器语音控制系统设计图3.4振铃检测电路3.4.2模拟摘挂机电路AT89C2051首先从P3.5检测与门G4的输出,G4每输出一个正脉冲，电话振铃一声；P3.5必须检测到8个正脉冲信号时，才从P1.1送出低电平使三极管T7导通，于是继电器JK吸合使两对常开触点JKa和JKb闭合，并使500欧电阻〈与小音频变压器绕组串联〉被接入电话线，实现了“模拟提机”。然后P3.2等待DTMF解码器STD端正脉冲的到来，一旦识别到STD端的正脉冲，P3.0～P3.4即读入DTMF解码器的输出的二进制码信息，这个信息就是遥控命令，AT89C2051能对其进行判别---究竟是密码还是控制某路开，关的命令，或是挂机命令。挂机命令的执行信号是从P1.1输出的，当P1.1=1时，T7截止，继电器释放，即实现了“模拟挂机”。而控制受控对象动作的信号是从P1.3～P1.7共5路输出的，例如若P1.3=1能使T1导通，继电器J1吸合；若P1.3=0，则J1释放……若P1.7=1,则能使T5导通，继电器J5吸合；若P1.7=0，则J5释放。但由图中可知，P1.3并没有直接接到T1……P1.7并没有直接接到T5，而是隔了一片集成块74LS273。74LS273是一个8D锁存器也就是芯片内部包含了8个D触发器，输入端为D0-D7，输出端为Q0～Q7。若清零端CLR加以低电平，则器件复零，Q0～Q7输出全为零，若清零端为高电平，则每当触发端CLK有一个电平的上跳变时（从“0”变到“1”的瞬间），输入端D0～D734 家用电器语音控制系统设计的状态就会被锁存到器件内并从Q0～Q7输出，只要CLK端不再触发，这一状态就会被永远记住。可见AT89C2051从P1.3～P1.7输出的信号只不过是先由74LS273记忆后再送出，其控制逻辑与直接接到的T1～T5是一样的。74LS273的输入端D0～D7能接受输入信号的必要条件是CLK端有正跳变出现，这必须同时满足两个条件：其一是DTMF解码器的STD端须为高电平，也就是遥控发送端有DTMF信令送到；其二是AT89C2051的P1.2必须送出一个由“0”变到“1”的跳变信号。只有当这两个条件同时满足时与门G5才输出正跳变信号，74LS273才能接受外部信息，这就大大提高了电路的抗干扰能力，防止AT89C2051因受到意外干扰而可能导致的受控对象的误动作。设计摘挂机控制电路如图3.5所示。图3.5摘挂机控制电路3.4.3DTMF解码电路34 家用电器语音控制系统设计DTMF解码，接收电路使用DTMF解码集成电路MT8870。当电路接口中的JKa和JKb闭合时，由发送端送来的DTMF信号进入MT8870的"IN-"端，经过DTMF解码，得到4位二进制码从Q3-Q0输出，同时由STD端给出一个正脉冲，该正脉冲的出现表明Q3--Q0已经准备就绪，就可以被读取了。DTMF双音多频信号是目前在按键电话（固定电话，移动电话），程控交换机及无线通信设备中广泛应用的一种信号。它是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号。MT8870信号接收器可把DTMF信号变为单片机可以识别的二进制数字信号，来识别每一个按键。MT8870与AT89C2051单片机的接口电路如图4所示。输入的DTMF信号经MT8870解调后，在STD端产生一个控制输出信号，该信号与单片机AT89C2051的外部接口P3.2相连。然后P3.2等待DTMF解码器STD端正脉冲的到来，一旦识别到STD端的正脉冲，P3.0～P3.4即读入DTMF解码器的输出的二进制码信息，这个信息就是遥控命令，AT89C2051能对其进行判别---究竟是密码还是控制某路开，关的命令，或是挂机命令。此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。经过翻阅大量的文献资料，我发现使用电话专用的双音频编解码芯片进行输入双音频信号的解码，是比较常用的一种方法。使用集成电路不但外围电路简单，而且可靠性强。经过专用集成电路的解码，信号转换成为不同的码制信号，可以直接被单片机读取。一般常用的电话双音频编解码集成电路有8870、8880、8888等，经过反复论证比较，我决定使用双音频解码集成片MT8870来完成此功能模块。有关MT8870的详细介绍请见下文。双音频DTMF解码电路设计如图3.6所示。图3.6DTMF解码电路34 家用电器语音控制系统设计3.4.4家用电器控制电路该系统的目的是通过电话遥控，控制不同的电器的电源的通断，在本装置中一共有5路电器可以控制。控制受控对象动作的信号是从P1.3～P1.7共5路输出的，例如若P1.3=1能使T1导通，继电器J1吸合;若P1.3=0，则J1释放……若P1.7=1,则能使T5导通，继电器J5吸合;若P1.7=0，则J5释放。但由图中可知，P1.3并没有直接接到T1……P1.7并没有直接接到T5，而是隔了一片集成块74LS273。74LS273是一个8D锁存器也就是芯片内部包含了8个D触发器，输入端为D0～D7，输出端为Q0～Q7。若清零端CLR加低电平，则器件复零，Q0～Q7输出全为零，若清零端为高电平，则每当触发端CLK有一个电平的上跳变时（从“0”变到“1”的瞬间），输入端D0～D7的状态就会被锁存到器件内并从Q0～Q7输出，只要CLK端不再触发，这一状态就会被永远记住。可见AT89C2051从P1.3～P1.7输出的信号只不过是先由记忆后再送出，其控制逻辑与直接接到的是一样的。输入端能接受输入信号的必要条件是端有正跳变出现，这必须同时满足两个条件：其一是解码器的端须为高电平，也就是遥控发送端有信令送到；其二是的必须送出一个由“0”变到“1”的跳变信号。只有当这两个条件同时满足时与门才输出正跳变信号，才能接受外部信息，这就大大提高了电路的抗干扰能力，防止因受到意外干扰而可能导致的受控对象的误动作。家用电器控制电路图如图3.7所示。34 家用电器语音控制系统设计图3.7家电控制电路34 家用电器语音控制系统设计第4章软件设计4.1软件设计原理软件部分的设计核心是89C2051芯片。编程语言为单片机汇编语言。设计本遥控装置的控制程序的主要工作是对电话信号进行检测以及接收用户指令控制家用电器的工作。系统程序主要包括管理监控主程序和定时中断子程序。（1）管理监控主程序CPU检测振铃信号状态和按键状态,当检测到有效振铃信号后,启动计数程序,计数到设定振铃次数后,CPU送出摘机信号控制电路自动摘机并送出摘机提示音信号,提示用户输入密码。当检测到有“*”键按下时,也同样送出摘机提示音信号,提示用户输入密码(对“*”键的检测是为了方便用户在家中控制电器,用户直接操作接在线路上的电话机即可)。单片机检测MT8870送出的STD信号,当STD信号有效时,从MT8870读入指令代码并与预设密码比较,如果两者不一致,则送出警告提示音信号,用户可以重新输入密码,若连续3次密码错误,系统自动挂机,不能进行遥控设定,如果输人密码与预设密码一致,则送出确认提示音信号,用户可以输入开机、关机、定时工作等指令,也可以输入查询指令查询系统工作状态或输入更改密码指令、更改设定密码。设定或查询完成后,按“#”键则系统挂机,连续一定时间不输入任何指令信号,系统也会自动挂机,让出电话线路。（2）定时中断程序定时中断程序完成定时工作方式下的计时和本地按键设定状态的查询和执行。4.2系统程序设计流程图本系统的软件设计主要分为系统初始化、振铃检测计数、控制摘挂机、双音频信号分析处理、控制电器等部分。每个功能模块对于整体设计都是非常重要的，单片机AT89C2051通过软件程序才能很好地对外部的信息进行采集、分析和决策。软件设计程序流程图如图4.1所示。34 家用电器语音控制系统设计开始图4.1程序流程图YYNYN启动定时器N3S到挂机按#提示完成等待回应关电器开电器NYY提示控制电器3次启动计数器提示重输密码密码正确提示输入密码模拟摘机N振铃六次N启动计数器镇流信号初始化YN34 家用电器语音控制系统设计4.3基于多识别引擎的识别器设计4.3.1传统识别引擎简介根据待识别语音属于单一用户还是公众进行分类，可以将其分为特定人识别以及非特定人识别。由于设计目标是针对特定用户的，因此采用特定人识别器。如果根据输入语音特点以及建模方法进行分类，当前的识别引擎主要分为孤立词识别、连续语音识别以及连接词识别等引擎。下面分别介绍几种不同的识别引擎以及各自的优缺点。4.3.1.1孤立词识别引擎由于孤立词识别引擎的输入是孤立的词汇，因此其识别范围小，建模精确，识别率高，非特定人的孤立词识别引擎的识别率可达95%左右，特定人的识别率甚至可达99%以上。但是孤立词识别引擎要求用户的输入必须是一个个独立的单词,显然对于连续的语音流无法处理。即使是独立的单词，如果由于用户的习惯或者生理原因，在语音中含有一些语气词或者其它高能量的突发噪声，将严重影响系统的识别率。4.3.1.2连续语音识别引擎连续语音识别引擎是以音节或者音素为单位进行建模的，很好地解决了孤立词识别中对输入语音的限制，而且通过对常见的语气词以及噪声的建模，也能够解决由其引起的识别率下降的问题。但是连续语音的识别率很低，即使在实验室环境下，其识别率最高也只能达90%左右。显然连续语音识别引擎难以单独用于家电语音控制系统。4.3.1.3连接词识别引擎连接词识别引擎介于孤立词识别引擎和连续语音识别引擎之间。它以孤立词为模型，通过对孤立词的拼接实现对连续语音流的识别。对于小型的语音识别系统来说，由于其词表较小，因此建模方便，而且建模精度高，对关键词的识别率接近于孤立词识别引擎,很好地解决了孤立词识别引擎无法解决的连续语音流问题。但是当输入语音流包含过多的音节时，其识别率不可避免地会下降很多。用户在选择识别引擎的时候，主要需要考虑的因素包括:识别率、实时响应速度、鲁棒性、输入语音限制、使用舒适性等。4.3.2基于多识别引擎的识别器设计通过对识别引擎的分析以及对传统识别引擎的介绍可以看到，无论单独选择哪种识别引擎，都不能够完善地满足实用的语音控制系统的要求，34 家用电器语音控制系统设计因此设计了一种多识别引擎的并行识别器，能够获得传统识别器无法兼得的优点。图4.2给出了基于多识别引擎的识别器结构图。语音信号信号切分噪声去除参数判断识别引擎选择识别引擎1识别引擎2识别引擎3候选关键词图4.2基于多识别引擎的语音识别器结构图4.3.2.1基于多识别引擎的识别器工作原理图4.2中,识别引擎1为孤立词识别引擎；识别引擎2为连接词识别引擎；识别引擎3为连续语音识别引擎。识别器具体的工作流程如下:(1)对输入语音进行预处理，包括语音信号的切分以及噪声去除等。语音信号的切分采用的是基于能量窗计算的切分算法，使得语音信号的端点更准确。(2)根据输入语音的物理长度以及其它物理特征预判输入语音为孤立词输入还是连续语音输入。如果语音信号较短，则采用识别引擎1、2进行识别；如果信号较长，则采用识别引擎2、3进行识别；如果不能确定是孤立语音还是连续语音，则同时采用三个识别引擎进行识别。(3)对于不同的识别引擎，将得到的识别结果作为候选关键词(如果识别结果不同则为多候选)送入确认模块进行确认。4.3.2.2基于多识别引擎的识别器性能分析由于基于多识别引擎的识别器至少同时启动了两个或者三个识别引擎，34 家用电器语音控制系统设计因此系统的响应时间不可避免地要受到影响。所以在语音建模时，采用参数共享的方式，从而降低了计算法复杂度，提高了系统响应速度。同时注意到，对于孤立语音来说，由于识别引擎1、2的识别速度很快,因此完全可以满足实时响应的要求；对于连续语音来说，其识别时间主要耗费在识别引擎3上，这是不可避免的，系统引入的附加耗时很小，因此基本上不会因此而降低系统的响应速度。而多识别引擎的识别器的建立，使得无论连续语音输入还是孤立语音输入，都能采用合适的识别引擎进行识别，从而在允许用户自由交流的基础上，保证了系统的识别率得到大幅度的提高。尤其是用户在采用连续语音输入系统不能正确识别时,可以降低要求,视其为孤立语音输入,这样一方面可以正确控制家电正常运行,另一方面通过自适应,不同识别引擎的模型都得到了更为精确的刻画,逐渐提高了系统识别率,从而使得连续语音识别率也得到了提高。另外,在各种情况下都采用了连接词识别引擎,主要是考虑到残疾用户的语音中经常附带一些常见的突发噪声以及语气词,因此通过对此进行独立建模,能够去除语音信号首尾的噪声和语气词的影响,进一步提高识别器的性能。34 家用电器语音控制系统设计结论语音识别是一门交叉学科，语音识别正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术，语音识别技术与语音合成技术结合使人们能够甩掉键盘，通过语音命令进行操作。语音技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。与机器进行语音交流，让机器明白你说什么，这是人们长期以来梦寐以求的事情。语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。语音识别是一门交叉学科。近二十年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场。人们预计，未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。本系统的设计采用了AT89S52单片机作为系统的中央控制单元，并结合软件编程，实现了语音界面及安全认证机制，丰富了系统功能，符合未来家电的智能化、网络化发展方向。利用该系统，可以实现固定电话和移动电话对空调器、电热水器、电灯等家用电器设备的远程控制，用户可以提前将居室的空调打开，一进家门便享受清凉世界；用户外出时，通过本系统开关居室的电灯、电视，造成有人在家的假象，提高家居安全。该系统操作起来非常简单易学，并且成本低廉、运行可靠，为家用电器的远程控制提供了一种非常实用的方案。此外，本系统还可以应用于工农业生产中，实现对无人值守岗位的远程控制。34 家用电器语音控制系统设计参考文献[1]戴海生等.实用的家电语音控制系统的设计[J].电子技术与应用.2005(09)[2]戴峻峰,付丽辉.多功能红外线遥控器的设计[J]传感器世界.2002(12)[3]邢克飞.一种基于公用电话网的家电遥控系统[J]电子工程师.2002(09)[4]于金鹏,田新诚,马玉梅.家用电器的电话遥控器设计[J].兵工自动化.2004(05)；[5]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003[6]田秀华.可电话遥控的家用电器智能控制的研究[J].自动化技术与应用.2001(05)[7]李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003)[8]姚文冰.稳健语音识别技术发展现状及展望[J].中山大学出版社.2011[9]罗勇.家用电话遥控管理系统的设计[J].发明与创新.2005(03)[10]何立民.单片机高级教程-应用与设计[M].北京航空航天大学出版社.2006[11]何立民.单片机应用技术选编[M].北京航空航天大学出版社.2006[12]刘荣辉.基于智能家居控制的嵌入式语音识别系统研究[D].广东工业大学,2013[13]赵威威.嵌入式语音识别及控制技术在智能家居系统中的应用[D].重庆大学,2007[14]张英振.嵌入式语音识别系统开发及在智能家居中的应用研究[D].上海应用技术学院,2015[15]张弘.USB接口技术.第一版.西安:西安电子科技大学出版社.2002:8-37[16]Delphi7数据库开发技术与工程实践.北京.人民邮电出版社.2004.4[17]Leeb.AUserInterfaceForHome-Net[J].IEEETransactionsOnConsmuerElectronics,Vol.40,No.4,Noveember.1994.40(4):897-901[18]StaufferH.SmartEnablingSystemforHomeAutomation.IEEETransactionsonConsumerElectronics,1991,37(2):29-35[19]BemdBurchard,RonaldRomer.OliverFox.AsingleChipPhoneBaseHMMSpeechRecognitionSystemforConsumerApplication.IEEETransactionsonConsumerElectronics.2000:46(3)34 家用电器语音控制系统设计[20]MicrosoftSpeechTechnologiesWebSitehttp://www.microsoft.com/speech/MicrosoftSpeechAPI/TextToSpeech.pdf.2001,03.致谢34 家用电器语音控制系统设计从无到有，是一件非常困难的事情。从我选择这一课题开始，从一无所知，到逐渐深入的研究，最终完成这一研究设计。期间我遇到了不少的困难和不顺，在老师的耐心指导下，在同学、朋友及家人的帮助和陪伴下，这部论文才得以完成，借此表达我的诚挚谢意：首先要感谢候清莲老师的谆谆教诲，从论文选题方向到立题都得到老师的悉心指导，在进入论文的撰写阶段更是得到候老师大量指导和严格要求，让我论文的基础得以成型，而且还对初稿进行了认真的阅读、提出了原则性的修改意见，导师无私的指导、严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。其次，要由衷的感谢在我毕业设计过程中给我提供资料及帮助的同学和朋友。我在用protel画图的过程中遇到一些问题，多亏了同学们的帮助，才完成了这篇论文。最后要感谢我的家人，特别是我的妈妈，没有她的鼓励与关爱，我就不会这么有信心地完成这篇论文。衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！34 家用电器语音控制系统设计附录A硬件电路图34 家用电器语音控制系统设计附录B程序清单;----------------------初始化---------------------------ORG00HMOVDPTR,#TABMOVWADD,#0A0HMOVRADD,#0A1HMOVR4,#6START0:ACALLSTAMOVA,WADDACALLWRBYTACALLCACKJBF0,START0MOVA,#00HACALLWRBYTACALLACKJBF0,START0ACALLTOPNOPACALLSTAMOVA,RADDMAIN2:ACALLWRBYTACALLCACKJBF0,MAIN2MOVR1,#CODEADCSONG1:ACALLRDBYTMOV@R1,ADJNZR4,CSONG2ACALLMNACKACALLSTOPAJMPCSHCSONG2:ACALLACKINCR1AJMPCSONG1CSH:MOVR0,#CODESTMOVR2,#00HMOVR3,#00HMOVCODECW,#0MOVCODESX,#3234 家用电器语音控制系统设计MOVCODEWS,#0MOVCODEXX,#6SETBZHENLSETBZHAIJI;-----------------主程序--------------------MAIN:JBZHENL,MAININCR2CLRTESTLEDCLRSPEAKERJNBZHENL,$SETBTESTLEDSETBSPEAKERMOVA,R2CJNEA,#32,MAINMOVR2,#00HINCR3MOVA,R3CJNEA,#2,MAINMOVR3,#00HMOVR2,#00HCLRZHAIJICLRTESTLEDACALLM8880ACALLDEL100MSACALLRE8880ACALLDEL10MSLOOP:MOVA,CODECWCJNEA,#3,STARTAJMPCSHSTART:ACALLJSSJINCCODEWSMOVA,@R0INCR0CJNEA,#12,LOOP;确认键DECCODEWSMOVR0,#CODESTMOVR1,#CODEADMIMAPD:MOVA,@R0MOVCODEBJ,@R1INCR0INCR1CJNEA,CODEBJ,LOOP1;密码比较AJMPLOOP234 家用电器语音控制系统设计LOOP1:MOVR0,#CODESTMOVCODEWS,#0INCCODECWAJMPLOOPLOOP2:DJNZCODEWS,MIMAPDCLRP0.0;密码正确亮灯指示MOVR0,#JDCPJD:ACALLJSSJMOVA,@R0CJNEA,#1,LOOP3;键1修改密码MOVR0,#CODEADMMXG:ACALLJSSJMOVA,@R0INCR0INCCODEWSCJNEA,#12,MMXG;密码修改确认键DECCODEWSMOVR0,#CODEADCSMM:ACALLSTAMOVA,WADDACALLWRBYTACALLCACKJBF0,CSMMMOVA,#00HACALLWRBYTACALLCACKJBF0,CSMMCSONG:MOVA,@R0ACALLWRBYTACALLCACKJBF0,CSONGINCR0DJNZCODEWS,CSONGACALLSTOPAJMPLOOP4LOOP3:CJNEA,#2,JD;键2家电控制LOOP4:MOVR0,#JDCPMOVR7,#16JD0:ACALLJSSJMOVA,@R0CJNEA,#1,JD1MOVJDBH,#01HJD1:CJNEA,#2,JD234 家用电器语音控制系统设计MOVJDBH,#02HJD2:CJNEA,#3,JD3MOVJDBH,#04HJD3:CJNEA,#4,JD4MOVJDBH,#08JD4:CJNEA,#5,JD5MOVJDBH,#10HJD5:CJNEA,#6,JD6MOVJDBH,#20HJD6:CJNEA,#7,JD7MOVJDBH,#40HJD7:CJNEA,#8,JD8MOVJDBH,#80HJD8:CJNEA,#11,JD9JNB20H.0,JDON1CLRLED1JDON1:JNB20H.1,JDON2CLRLED2JDON2:JNB20H.2,JDON3CLRLED3JDON3:JNB20H.3,JDON4CLRLED4JDON4:JNB20H.4,JDON5CLRLED5JDON5:JNB20H.5,JDON6CLRLED6JDON6:JNB20H.6,JDON7CLRLED7JDON7:JNB20H.7,JD9CLRLED8JD9:CJNEA,#12,JD10JNB20H.0,JDOFF1SETBLED1JDOFF1:JNB20H.1,JDOFF2SETBLED2JDOFF2:JNB20H.2,JDOFF3SETBLED3JDOFF3:JNB20H.3,JDOFF4SETBLED4JDOFF4:JNB20H.4,JDOFF5SETBLED5JDOFF5:JNB20H.5,JDOFF6SETBLED634 家用电器语音控制系统设计JD10:DJNZR7,JD11ACALLDEL100MSACALLDEL100MSAJMPCSHJD11:AJMPJD0;--------------接收数据子程序---------------JSSJ:ACALLREADPSWACALLREDAJCQACALLDISPRET;--------------8870初始化------------M8870:MOVP2,#0FFHCLRCKSETBCKMOVP2,#0DHCLRCKSETBCKMOVP2,#0DHCLRCKSETBCKMOVP2,#8DHCLRCKSETBCKMOVP2,#0DHCLRCKSETBCKRET;-----------读8870状态寄存器-----------READPSW:CLRCKSETBRSOSETBRWSETBCKMOVA,P2JNBACC.6,READPSWRET;------------设置为接收模式-----------RE8870:CLRCKSETBRSOCLRRWMOVP2,#4DHSETBCKRET34 家用电器语音控制系统设计;-----------读8870接收数据寄存器--------REDAJCQ:CLRCKCLRRSOSETBRWSETBCKMOVA,P2ANLA,#0F0HSWAPAMOV@R0,ARET;---------启动I2C总线子程序------STA:SETBSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSDANOPNOPNOPNOPCLRSCLRET;----------停止I2C总线子程序------STOP:CLRSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPSETBSDANOPNOPNOPNOPCLRSDACLRSCLRET;---------发送应答位信号子程序------MACK:CLRSDASETBSCLNOP34 家用电器语音控制系统设计NOPNOPNOPCLRSCLSETBSDARET;---------发送非应答位信号子程序------MNACK:SETBSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSCLCLRSDARET;--------应答位检查子程序------------CACK:SETBSDASETBSCLCLRF0MOVC,SDAJNCCENDSETBF0CEND:CLRSCLRET;--------发送一字节数据子程序--------WRBYT:MOVR7,#08HWLP:RLCAJCWR1WR0:CLRSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSCLWLP1:DJNZR7,WLPRETWR1:SETBSDANOPNOPSETBSCLNOP34 家用电器语音控制系统设计NOPNOPNOPCLRSCLCLRSDAAJMPWLP1;--------接收一字节数据子程序--------RDBYT:MOVR7,#08HRLP:SETBSDASETBSCLMOVC,SDAMOVA,R2RLCAMOVR2,ACLRSCLDJNZR7,RLPRET;------------显示----------------DISP:MOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIRET;------------延时----------------DEL10MS:MOVR7,#20DEL11:MOVR6,#250DJNZR6,$DJNZR7,DEL11RETDEL100MS:MOVR7,#200DEL2:MOVR6,#250DJNZR6,$DJNZR7,DEL2RETEND34'